Kémia | Biokémia » Biotechnológia bevezetés

Biotechnológia – bevezetés Biokémia Mikrobiológia Mérnöki tudományok Alkalmazás • Mikroorganizmusok, állati és növényi sejtek/ szövetek vagy ezek részeinek (pl. enzimek) felhasználása céljából A biotechnológia alkalmazási területei Gyógyszeripar (egészségügy, antibiotikumok, vírus ellenes szerek enzimek, aminosavak, vitaminok, peptidek, szteroidok) Élelmiszeripar (keményítők, cukrok, illat és színanyagok, sör- és alkoholos italok előállítása) Mezőgazdaság (állat- és növényegészségügy, takarmány-kiegészítők, vitaminok, adalékanyagok) Embriómanipuláció (génsebészet) Biometallurgia Biológiai ásványfelhasználás (meddő kőzetek hasznosítása, amelyek hagyományos módon nem dolgozhatók fel) Fermentáció: mikroorganizmusok optimális körülmények melletti tenyésztése és metabolitok (hasznos metabolitok) előállítása Alkalmazása pl.: szövettenyésztés, rögzített sejtek, enzimek alkalmazása

gyógyszerek stb. előállítására Vegyipar: etanol, szerves savak, biopolimerek stb. előállítása A fermentációs (biotechnológiai) eljárások céljai/lehetőségei Sejttömeg termelés pékélesztő, SCP Sejtkomponensek előállítása intracelluláris enzimek, poliszacharidok, nukleinsavak Metabolit termelés primer: etanol, tejsav szekunder: antibiotikumok Egyszerű szubsztrát konverzió glükózfruktóz penicillin 6-NH2-penicillánsav Multi-szubsztrát konverzió biológiai szennyvíztisztítás A termékképző folyamat fajtái Fermentációs folyamat (bioszintézis) ∑ Tápanyagok Szaporodó sejtek ∑ Termékek Biotranszformáció / Biokonverzió A Anyag Sejt, sejtalkotórész Enzim B Anyag A fermentációs technológiák főbb termékcsoportjai (klasszikus)  Alkoholok (etanol, butanol, glicerin, alkoholos oldatok – sör)  Szerves savak (Ecetsav, citromsav, glukonsav, tejsav)  Aminosavak (Glu, Lys, Arg, Try, )  Enzimek

(Amilázok, katalázok, )  Vitaminok (Bx, b-karotin)  Antibiotikumok (penicillinek)  Szteroidok (fogamzásgátló intermedierek)  Poliszacharidok A fermentációs technológiák főbb termékcsoportjai (modern)  Monoklonális ellenanyagok  Immunreagensek  Inzulin  Humán növekedési hormon  Marha somatrotropin  Plazminogén aktivátor  Interferonok  Kalcitonin  Hepatitis B-vakcina Az ipari jelentőségű mikroorganizmusok típusai Baktériumok: méret 0.5-5 µm; gömb, pálca vagy spirális osztódással szaporodnak, egyesek spóraképzők Sugárgombák: (aktinomiceták): fonalas szerkezet (micélium), hosszirányú növekedés, spóraképzők (szaporító képlet) Élesztők: ovális alakú, 5-20 µm, szaporodás főleg sarjadzással, a leánysejtek együtt maradnak 1-10 sejtig. Penészek: 4-20 µm fonalas szerkezet (hifa), szaporodásuknál az ivaros és vegetatív szakaszok váltakoznak, jellegzetes spóratartókat fejlesztenek. Az

ipari jelentőségű mikroorganizmusok típusai A baktériumok gyakori morfológiai típusai Gombák Saccharomyces Schizosaccharomyces ellipsoideus octosporus Aspergillus niger Penicillium glaucum A mikroorganizmusok fejlődését, növekedését befolyásoló tényezők  Tápanyagok Víz (gombák 12%, baktériumok 20%) Makrotápelemek Mikrotápelemek Növekedési faktorok, vitaminok  Oxigén Aerob, anaerob  Hőmérséklet Pszichrofil, mezofil és termofil  pH Táplálkozási típusok szénforrás és energiaforrás alapján  Fototróf (fényenergia hasznosítás)  Fotolitotróf (C-forrás CO2)  Fotoorganotróf (C-forrás szerves vegyület)  Kemotróf (redoxi reakciók energiájának hasznosítása)  Kemolitotróf  Kemoorganotróf Egy termelő fermentációs folyamat megvalósításának lépései 4.A Keverés (anyagátadás) 2.A Sterilezés 3. Reaktor 2. Tápanyagok ∑Si 5. Mérés (adatok) ooooo 4.B Levegőztetés Anyagátadás

Szabályozás, vezérlés • • •• 1. Oltóanyag Termelő törzs 6. Matematikai modell 7. Termék feldolgozási műveletek UP STREAM MŰVELETEK A tenyésztéshez / átalakításhoz közvetlenül kapcsolódó műveletek: • • • • Tápoldat (reakcióelegy) készítés Sterilezés Tenyésztés optimális körülményeinek biztosítása Anyagátadási és hőátadási műveletek stb. A FERMENTLÉ FELDOLGOZÁSA (DOWNSTREAM PROCESSING) 1. Szilárd-folyadék elválasztás ( a fermentlé folyadékfázisától különítik el a sejttömeget, és/vagy a táptalaj szilárd szemcséit, esetleg a kikristályosodott terméket.) Jellemző műveletek: szűrés, centrifugálás, membránszűrés (Sejtfeltárás) Csak akkor szükséges, ha a kinyerni kívánt anyag a sejteken belül található (intracelluláris). 2. Izolálás (a legnagyobb mennyiségű szennyezéseket, elsősorban a vizet távolítják el, általában fázisváltással.) Jellemző műveletek: extrakció,

adszorpció 3. Tisztítás (a termék és a szennyező anyagok elválasztása) Jellemző műveletek: kicsapás, membránszűrés, kromatográfia 4. Végtisztítás (a terméket a forgalomba hozás - a gyógyszerek esetében igen szigorú - előírásainak megfelelő tisztaságig tisztítják.) Ipari mikrobiológiai műveletek kivitelezése 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Oltótenyészet készítése (termelő törzs) Tápanyagok- tápoldat készítése (sterilezés) Bioreaktor Fermentációs műveletek (levegőztetés, keverés) Adatgyűjtés Matematikai modellezés Termékek további feldolgozása (izolálási, tisztítási műveletek) Törzsszelekció, törzsjavítás, törzsfenntartás 1. Törzsszelekció: mikroorganizmusok izolálása (törzsgyűjteményből, szennyvízből, talajból) Mérsékelt termelőképességű törzsek 2. Törzsjavítás, törzsfejlesztés Nagyobb termelőképességű mutánsok (pl. Enzimfehérjében változás bioszintetikus útban blokk) 3.

Törzsfenntartás Cél: maximális termelőképesség megőrzése folyamatos átoltás termelőképesség csökken tartósított tenyészetek Fermentációs folyamat – oltótenyészet útja Sűrített levegő Kémcső tenyészet (10 ml) Rázott lombikos tenyészet (100 ml) Labor fermentoros tenyészet (10 l) Inokulum fermentoros tenyészet (2-3 m3) Üzemi fermentor (50-150 m3) Üzemi fermentorok szerelvényei Fermentorok Pilot méretű fermentáció (orvosi kutatás) Enzimfermentor szabályozó egységekkel Mini enzimfermentor Nagyüzemi fermentáció (borászat) Fermentációs tápoldatok C-forrás + N-forrás + O2 + ásványi sók + speciális tápanyagok (pl. vitamin) Új sejttömeg (ΔX) + termékek + CO2 + H2O Tápanyag igény Tápoldatok (természetes alapú, félszintetikus, szintetikus) MIKROORGANIZMUSOK TÁPANYAG IGÉNYE TERMELŐKÉPESSÉG KÖRNYEZET GENOM Néhány mikróbaösszetétel Mikroorganizmus Saccharomyces cerevisiae Methylomonas

methanolica Penicillium chrysogenum összetétel a sejt szárazanyag százalékában C 45 45,9 43 H 6,8 7,2 6,9 0 30,6 35,0 N 9,0 14,0 8,0 S 2,6 Fermentációs tápoldatok Fermentációs tápoldat mikroorganizmusok testanyagainak felépítésében, és a termékek szintézisében részt vevő elemeket tartalmaznia kell Mikróba táplálkozási és környezeti igényei optimalizálás Gazdasági szempontok Természetes alapú: élesztőkivonat, húskivonat, pepton Félszintetikus: pl. kukoricakeményítő, szójaliszt +sók Szintetikus (C-forrás, N-forrás.) Sterilezés • Tápoldatok sterilezése + Besugárzással (UV, X-ray, g) bár ezeknek ipari jelentősége csekély + Kémiai eljárások + Csírák mechanikus eltávolítása + Gőzsterilezés: Vegetatív sejtek és spórák pusztítása • Szakaszos sterilezés + Minden berendezést külön ki kell sterilezni: rendkívüli idő- és energiaigény + Sterilezőszer: 1,5-3bar nyomású gőz • Folyamatos

sterilezés + A szakaszos sterilezés hátrányait kiküszöbölik + Sterilezőszer: szintén gőzbefúvatás + Hátránya lehet: A nagy hőmérséklet különbség miatt sók csapódhatnak ki. • A fermentációs levegőáram sterilezése A mikroorganizmusokra a legnagyobb veszélyt a levegővel bekerülő szennyeződések jelentik, ezért ennek sterilitására különösen kell figyelni. + Szűrés, besugárzás, hőkezelés + Régebben mélyszűrők (üveggyapot) + Ma: üvegszálbetétes szűrőpatronok A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája A tenyészet fejlődésének szakaszai: x 108 C 104 A B D E F t A. Lappangási (lag) szakasz B. Gyorsuló növekedés szakasza C. Exponenciális növekedés szakasza, korlátlan, kiegyensúlyozott növekedés. D. Lassuló, limitált vagy korlátozott szaporodás E. Stacionárius, stagnáló szakasz F. Hanyatló szakasz tg – generációs idő (két egymást követő osztódás között eltelt idő) tg – minimális és

állandó generációs idő - C szakasz A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája MI AZ OKA A HANYATLÓ FÁZISNAK? 1. TÁPANYAG LIMITÁCIÓ 2. TOXIKUS METABOLIT TERMÉK(EK) 3. HELYHIÁNY A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája x0 -a kiindulási mikrobakoncentráció n - a generációk száma tg - a generációs idő (két sejtosztódás között statisztikai átlagban eltelt idő) A generációs idő függ a mikróba fajtól, a tenyésztési körülményektől (tápanyag, hőmérséklet, pH, stb.), sőt még egy adott tenyésztés folyamán is változik. x0   2 x 0   4 x 0  .   2 n x 0 A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája x = x0 2 n átrendezve: log x − log x 0 n= log 2 A generációk száma kifejezhető t log x − log x 0 log 2 azaz n= = tg t tg A generációs idő kifejezhető x log 2 log = t x0 tg vagy más formában: x ln 2 ln = t x0 tg A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája A növekedési

sebesség arányos a jelenlévő mikróba-mennyiséggel 1 dx µ= x dt az egységnyi mikrobatömegre vonatkoztatott szaporod µ - Az exponenciális szakasz jellemző állandója (spec. növekedési sebesség) dx/dt µ értéke csak akkor állandó, ha 1 dx µ= x dt x minden tápanyag elegendő koncentrációban van jelen A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája A µx és a szubsztrátkoncentráció kapcsolata (Monod modell) S – nélkülözhetetlen tápanyagkomponens Ha S kicsi : µ arányos S-el Ha S nagy telítettségi érték Ks- telítési állandó, megegyezik azzal a S-koncentrációval, ahol µ µ = max µx 2 µmax µmax µ = µ max 2 Ks S KS + S S Ks – baktériumok glükóz 3-7 mg/l A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája 1 dx µ= x dt 1 dS µS = x dt µP = µx - Specifikus növekedési sebesség µs - Specifikus szubsztrát-felhasználási sebesség µp - Specifikus termékképződési sebesség 1 dP x dt 1 dx µ dx Y = x = x dt = µ S

1 dS dS x dt Y – hozamkonstans (a keletkező baktériumtömeg/a felhasznált tápanyag) A növekedés és a tápanyagfelhasználás között egyszerű összefüggés Termékképződési kinetika A termékképződési sebesség és a mikróba-koncentráció ill. a mikróba-növekedési sebesség közti kapcsolat .Képekimg002jpg Termékképződési kinetika µp - Specifikus termékképződési sebesség 1 dP µP = x dt Különböző fermentációs típusok a µx, µs, µp alapján I. típus II. típus I. Termékképződés párhuzamos a növekedéssel (alkoholos erjesztés, szorbózfermentációprimer anyagcsere termék) II. Termékképződés későn kezdődik – növekedéshez nem kapcsolódó A legtöbb antibiotikum fermentáció – szekunder anyagcseretermék µx µp µs Fermentáció típusok Batch-fermentáció (szakaszos fermentáció): ez a fermentáció típus képezi az összes ma alkalmazott technika alapját, így a mennyiségi összefüggéseket ez

alapján mutatjuk be A paraméterek többségére nézve zárt rendszer Feed-batch (rátáplálásos) fermentáció: a paraméterekre nézve „félignyitott” rendszer Kezdetben nem az összes mikroorganizmust tápláljuk be, hanem szakaszosan rátáplálunk A paraméterek követik a tápanyagtartalmat Folyamatos fermentáció: Folyamatos tápoldat bevezetés, és termékelvétel A paraméterekre nézve nyílt rendszer Megvalósítása: kemosztátban, turbidosztátban, Plug-flow reaktorban Folyamatos fermentáció előnyei • Produktivitása 5−10- szer nagyobb, mint a szakaszos tenyésztésé • Automatizálási lehetőség nagy, az üzem egésze folytonossá tehető • Egyenletes terméket biztosít Folyamatos fermentációs rendszerek • Homogén rendszer – A sejt és a szubsztrát-koncentráció teljesen egyöntetű – Állandósult állapotú folytonos működés esetén az összes mikróba azonos környezeti feltételek között növekszik- azonos fiziológiai

állapotban vannak a rendszeren belül • Heterogén rendszer – A sejtek és a szubsztrátok koncentráció-gradienst mutatnak – A mikróbák különböző fiziológiai állapotban vannak • Zárt rendszerek – A mikroorganizmusok mindig a rendszeren belül maradnak (szemipermeábilis hártya, állandó visszavezetés) • Nyílt rendszerek – A sejtek a kiömlő folyadékkal folytonosan távoznak Nyílt folytonos rendszerek osztályozása • Homogén rendszerek •Egyfokozatú •Kevert tank •Kevert tank visszatáplálással •Többfokozatú •Egyszerű lánc • Többszöri szubsztrát adagolás •Heterogén rendszerek •Egyfázisú • csőreaktor visszatáplálással •Többfázisú torony • folyadék-folyadék • folyadék-gáz Zárt folytonos rendszerek osztályozása  Homogén kevert tank visszatáplálással  Heterogén  Egyfázisú  Csőreaktor visszatáplálással  Osztott tank visszatáplálással  Kétfázisú 

Hártyatenyészet  Töltött torony Biotechnológiai termékek Termék Gyümölcssavak pl. citromsav, almasav Gyümölcssavak pl. borostyánkősav Vitaminok (kobolamin, B12) Enzimek (proteázok) Felhasználás Italok, dzsemek, szörpök Ízesítő, K-, Ca-, Mg-sók mint NaCl helyettesítők Élelm. kiegészítés Termelő mikróba (forrás) Aspergillus niger, Candida lipolytica Rhizopus, Mucor, Fusarium Propionibacterium shermanii Gélesítő anyagok Tésztagyárt., italgyárt, sajtgyárt., húskészítmény Fagylalt, pudingok, habok Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Aspergillus orizae Acetobacter vinelandii ánizsaldehid illatanyag Trametes sauvolens herbicidin herbicid Streptomyces saganonensis indigó pigment Escherichia coli CefalosporinC (polipeptid) Vankomicin (glikopeptid) antibiotikum Cephalosporium acremonium antibiotikum Streptomyces orientalis IRODALOM, JEGYZET •Nyeste Lajos: Biomérnöki műveletek és alapfolyamatok, Tankönyvkiadó,

Budapest, 1990, J 6-816 •Sevella Béla: Biomérnöki műveletek és alapfolyamatok, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2001 •Szabó István Mihály: A bioszféra mikrobiológiája, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1992